Une complexité structurelle insoupçonnée au cœur de l’eau superionique

Sous des conditions extrêmes de pression et de température, l’eau adopte un état singulier, à la frontière entre le solide et le liquide : la phase superionique. Celle-ci se caractérise par un réseau cristallin d’atomes d’oxygène, analogue à celui d’un solide, au sein duquel les atomes d’hydrogène, sous forme d’ions, se déplacent librement, comme dans un liquide. Bien que cette phase ait déjà été observée expérimentalement, de nombreuses questions subsistent quant à sa courbe de fusion et à la stabilité des différents réseaux d’oxygène susceptibles de s’y organiser. Ces enjeux sont essentiels pour comprendre les propriétés mécaniques et de transport de cette glace atypique, ainsi que son rôle potentiel dans la génération des champs magnétiques d’Uranus et de Neptune.

Ces recherches ont été menées dans les laboratoires CNRS suivants :

• Laboratoire pour l'utilisation des lasers intenses (LULI, CNRS / École Polytechnique / Sorbonne Université)
• Institut de Minéralogie, de Physique des Matériaux et de Cosmochimie (IMPMC, CNRS / Museum National d'Histoire Naturelle / Sorbonne Université)

Une équipe de scientifiques issue d’une vaste collaboration internationale, vient de franchir une étape majeure dans l’exploration de ces phases extrêmes. Lors de deux campagnes expérimentales menées sur les installations du Linac Coherent Light Source (LCLS, Stanford) et du laser à électrons libres de l’European XFEL (Hambourg), les chercheurs et chercheuses ont comprimé une fine couche d’eau jusqu’à des pressions des millions de fois supérieures à la pression atmosphérique, tout en atteignant des températures de plusieurs milliers de degrés, un domaine expérimental jusqu’alors très difficile d’accès. Au cours de cette compression, un faisceau de rayons X ultrarapides (de l’ordre de quelques dizaines de femtosecondes) traverse l’échantillon. L’analyse des figures de diffraction obtenues permet alors d’accéder à des informations précises sur l’organisation des atomes d’oxygène. Des études antérieures suggéraient que, dans la glace superionique, ceux-ci s’organisent selon un réseau cubique centré (BCC) ou cubique à faces centrées (FCC), deux variantes répandues de structures cristallines cubiques. La nouvelle étude révèle cependant une réalité bien plus complexe. Les chercheurs et chercheuses montrent que l’eau superionique adopte une structure hybride, combinant des empilements de type cubique à faces centrées et hexagonal compact (HCP). Ce dernier correspond à un empilement de couches d’atomes densément entassés selon une géométrie hexagonale. La coexistence de ces deux motifs engendre de nombreux défauts d’empilement : plutôt que de s’organiser selon une configuration régulière unique, les atomes d’oxygène forment une séquence hybride, dont la mise en évidence n’a été possible que grâce à des mesures de très haute précision réalisées à l’aide de lasers X de dernière génération. 

En accord avec les prédictions issues de calculs ab initio avancés, ces observations montrent que les structures adoptées par l’eau dans son état superionique sont bien plus complexes qu’attendu. Elles démontrent que le régime superionique présente une richesse structurelle comparable à la multiplicité des phases de glace solide, confirmant que l’eau, malgré son apparente simplicité, continue de surprendre par des comportements physiques aussi remarquables qu’inattendus. Cette complexité pourrait contribuer à façonner les propriétés macroscopiques de l’eau superionique, avec des conséquences importantes sur notre compréhension des propriétés internes de planètes comme Uranus et Neptune, voire d’autres planètes extrasolaires du même type. Ces résultats sont publiés dans la revue Nature Communications.